Progrès dans le creusement de tunnels et l'excavation souterraine par forage et dynamitage

Jumbo à flèches multiples

Ici, aux États-Unis, nous avions l'habitude de désigner le creusement par forage et dynamitage comme un tunnel "conventionnel", ce qui, je suppose, laisse le tunnelier par TBM ou d'autres moyens mécanisés être qualifié de "non conventionnel". Cependant, avec l'évolution de la technologie TBM, il devient de plus en plus rare de creuser des tunnels par forage et dynamitage et, à ce titre, nous pourrions envisager de renverser l'expression et de commencer à qualifier le creusement de tunnels par forage et dynamitage de " non conventionnel " tunnelier.

Le creusement de tunnels par forage et dynamitage est toujours la méthode la plus courante dans l'industrie minière souterraine, tandis que le creusement de tunnels pour les projets d'infrastructure devient de plus en plus mécanisé par tunnelier ou d'autres méthodes. Cependant, dans les tunnels courts, pour les grandes sections transversales, la construction de cavernes, les croisements, les passages de communication, les puits, les conduites forcées, etc., le forage et le dynamitage sont souvent la seule méthode possible. Par Drill and Blast, nous avons également la possibilité d'être plus flexibles pour adopter des profils variables par rapport à un tunnel TBM qui donne toujours une section transversale circulaire, en particulier pour les tunnels routiers entraînant beaucoup de surexcavation par rapport à la section transversale réelle nécessaire.

Dans les pays nordiques, où la formation géologique de la construction souterraine est souvent constituée de granit et de gneiss durs solides, ce qui se prête très efficacement et économiquement à l'exploitation par forage et dynamitage. Par exemple, le système de métro de Stockholm se compose généralement d'une surface rocheuse exposée construite à l'aide de forage et de dynamitage et pulvérisée avec du béton projeté comme revêtement final sans aucun revêtement coulé sur place.

Actuellement, le projet d'AECOM, le contournement de Stockholm qui consiste en une autoroute de 21 km (13 miles) dont 18 km (11 miles) sont souterrains sous l'archipel occidental de Stockholm est en construction, voir Fig. 1. Ces tunnels ayant des sections transversales variables, pour accueillir trois voies dans chaque direction et des rampes d'accès et de sortie se connectant à la surface sont en cours de construction à l'aide de la technique Drill and Blast. Ce type de projets est toujours compétitif en tant que forage et dynamitage en raison de la bonne géologie et de la nécessité d'une section transversale variable pour répondre aux besoins d'espace. Pour ce projet, plusieurs rampes d'accès ont été développées pour diviser les longs tunnels principaux en plusieurs sections, ce qui raccourcira le temps total d'excavation du tunnel. Le support initial du tunnel se compose de boulons d'ancrage et de béton projeté de 4 "et le revêtement final se compose d'une membrane d'étanchéité et de béton projeté de 4 pouces suspendu par des boulons espacés d'environ 4 pieds sur 4, installés à 1 pied de la surface rocheuse revêtue de béton projeté, agit comme une eau et gel isolation.

Contournement de Stockholm

La Norvège est encore plus extrême en ce qui concerne le creusement de tunnels par forage et dynamitage et a, au fil des ans, affiné les méthodes de forage et de dynamitage à la perfection. Avec la topographie très montagneuse de la Norvège et les très longs fjords qui s'enfoncent dans la terre, le besoin de tunnels sous les fjords pour l'autoroute et le rail est d'une grande importance et peut réduire considérablement le temps de trajet. La Norvège compte plus de 1000 tunnels routiers, ce qui est le plus grand nombre au monde. En outre, la Norvège abrite également d'innombrables centrales hydroélectriques avec des tunnels et des puits de conduite forcée construits par Drill and Blast. Au cours de la période de 2015 à 2018, rien qu'en Norvège, il y a eu environ 5,5 millions de CY d'excavation de roche souterraine par Drill and Blast. Les pays nordiques ont perfectionné la technique du Drill and Blast et ont exploré ses technologies et son état de l'art à travers le monde. En outre, en Europe centrale, en particulier dans les pays alpins, le forage et le dynamitage restent une méthode compétitive dans le creusement de tunnels malgré la grande longueur des tunnels. La principale différence avec les tunnels nordiques est que la plupart des tunnels alpins ont un revêtement final en béton coulé sur place.

Dans le nord-est des États-Unis et dans les régions des montagnes Rocheuses, les conditions sont similaires à celles des pays nordiques avec une roche dure et compétente permettant une utilisation économique du forage et du dynamitage. Quelques exemples incluent le métro de New York, le tunnel Eisenhower dans le Colorado et le tunnel du mont McDonald dans les Rocheuses canadiennes.

Les projets de transport récents à New York, tels que le métro de la Second Avenue récemment achevé ou le projet East Side Access, ont combiné des tunnels de roulement exploités par TBM avec Station Caverns et d'autres espaces auxiliaires réalisés par Drill and Blast.

L'utilisation de jumbos de forage a évolué au fil des ans, passant des perceuses portatives primitives ou des jumbos à une flèche aux jumbos à plusieurs flèches auto-perceuses informatisées où les modèles de forage sont introduits dans l'ordinateur de bord permettant un forage rapide et de haute précision à un pré -définir un modèle de forage calculé avec précision. (voir fig. 2)

Les jumbos de forage avancés sont entièrement automatisés ou semi-automatisés ; dans le premier cas, une fois le trou terminé, le foret revient et se déplace automatiquement vers la position du trou suivant et commence à forer sans que l'opérateur ait besoin de le positionner ; pour les rampes semi-automatiques, l'opérateur déplace la perceuse de trou en trou. Cela permet à un seul opérateur de manipuler efficacement les jumbos de forage avec jusqu'à trois flèches à l'aide de l'ordinateur de bord. (voir fig. 3)

Jumbo de forage entièrement automatisé

Avec le développement de Rock Drills de 18, 22, 30 et jusqu'à 40 kW de puissance d'impact et de foreuses à haute fréquence avec des chargeurs pouvant contenir jusqu'à 20' de tiges de dérive et l'utilisation du système d'ajout de tiges automatisé (RAS), l'avance et la vitesse de forage s'est considérablement améliorée avec des taux d'avance réels allant jusqu'à 18' par tour et un trou qui s'enfonce entre 8 et 12 pieds/min selon le type de roche et le foret utilisé. Un jumbo de forage automatisé à 3 flèches peut forer de 800 à 1 200 pieds/h avec des tiges de dérive de 20 pieds. L'utilisation de tiges de dérive de 20 pieds nécessite une certaine taille minimale de tunnel (environ 25 pieds) pour permettre de forer des boulons d'ancrage perpendiculairement à l'axe du tunnel en utilisant le même équipement.

Un développement récent est l'utilisation de jumbos multifonctions suspendus à la couronne du tunnel permettant à plusieurs fonctions de se dérouler simultanément telles que le forage et le déblayage. Le jumbo peut également être utilisé pour installer des poutres en treillis et du béton projeté. Cette approche chevauche des opérations séquentielles dans le tunnelage, ce qui permet de gagner du temps sur le calendrier. Voir la figure 4.

Jumbos multifonctions suspendus à la couronne du tunnel

L'utilisation d'émulsion en vrac pour charger les trous à partir d'un camion de chargement séparé, lorsque le jumbo de forage est utilisé pour plusieurs en-têtes, ou en tant que fonction intégrée au jumbo de forage lorsqu'un seul en-tête est en cours d'excavation, devient plus courante à moins que il existe des restrictions locales pour cette application. Cette méthode est couramment utilisée dans diverses régions du monde, deux ou trois trous pouvant être chargés en même temps ; la concentration de l'émulsion peut être ajustée en fonction des trous chargés. Les trous coupés et les trous inférieurs sont normalement chargés avec une concentration de 100 % tandis que les trous de contour sont chargés avec une concentration beaucoup plus légère d'environ 25 %. (voir figure 5)

Chargement du trou

L'utilisation d'émulsion en vrac nécessite un booster sous la forme d'un bâton d'explosifs emballés (amorce) qui, avec le détonateur, est inséré au fond des trous et est nécessaire pour enflammer l'émulsion en vrac qui est pompée dans le trou. L'utilisation d'émulsion en vrac réduit le temps de charge global par rapport aux cartouches traditionnelles, où 80 à 100 trous/h peuvent être chargés à partir d'un camion de charge équipé de deux pompes de charge et de paniers pour une ou deux personnes pour atteindre la section transversale complète. Voir Fig.6

Camion de chargement d'émulsion

L'utilisation de chargeuses sur pneus et de camions reste le moyen le plus courant d'effectuer le déblayage en combinaison avec le forage et le dynamitage pour les tunnels ayant un accès à la surface. Dans le cas d'un accès via des puits, le fumier sera transporté principalement par une chargeuse sur pneus jusqu'au puits où il sera hissé à la surface pour un transport ultérieur vers la zone d'élimination finale.

Cependant, l'utilisation d'un concasseur au front de taille du tunnel pour briser les plus gros morceaux de roche afin de permettre leur transfert avec un tapis roulant pour amener la boue à la surface est une autre innovation qui a été développée en Europe centrale souvent pour de longs tunnels à travers les Alpes. Cette méthode réduit considérablement le temps de déblayage, en particulier pour les longs tunnels et élimine les camions dans le tunnel, ce qui améliore l'environnement de travail et réduit la capacité de ventilation nécessaire. Il libère également le radier du tunnel pour les travaux de bétonnage. Il a un avantage supplémentaire si la roche est d'une qualité telle qu'elle peut être utilisée pour la production de granulats. Dans ce cas, la roche concassée peut être traitée de manière minimale pour d'autres utilisations bénéfiques telles que les granulats de béton, le ballast des rails ou la chaussée. Pour réduire le temps entre le dynamitage et l'application du béton projeté, dans les cas où le temps de mise en place peut être un problème, la couche initiale de béton projeté peut être appliquée dans le toit avant que le déblayage ne soit effectué.

Lors de l'excavation de grandes sections transversales en combinaison avec de mauvaises conditions de roche, la méthode Drill and Blast nous donne la possibilité de diviser la face en plusieurs têtes et d'appliquer la méthode d'excavation séquentielle (SEM) pour l'excavation. Un cap pilote central suivi de dérives latérales décalées est souvent utilisé dans le SEM dans le tunnelage, comme on peut le voir sur la figure 7 pour l'excavation du cap supérieur de la station 86th Street sur le projet de métro Second Avenue à New York. La partie supérieure a été excavée en trois galeries, puis a été suivie de deux excavations en banc pour compléter la section transversale de la caverne de 60 pieds de largeur sur 50 pieds de hauteur.

Subway Second Avenue - Excavation de la station 86th St. utilisant plusieurs en-têtes

Afin de minimiser l'intrusion d'eau dans le tunnel lors de l'excavation, un coulis de pré-excavation est souvent utilisé. L'injection préalable de la roche dans la roche est obligatoire en Scandinavie afin de répondre aux exigences environnementales concernant les fuites d'eau dans le tunnel afin de minimiser l'impact de la construction sur le régime hydrique à la surface ou à proximité. L'injection de pré-excavation peut être effectuée pour l'ensemble du tunnel ou pour certaines zones où l'état de la roche et le régime des eaux souterraines nécessitent une injection pour réduire l'intrusion d'eau à une quantité gérable, comme dans les zones de faille ou de cisaillement. Dans l'injection sélective de pré-excavation, 4 à 6 trous de sonde sont forés et en fonction de l'eau mesurée des trous de sonde par rapport au déclencheur d'injection établi, l'injection sera mise en œuvre à l'aide de ciment ou de coulis chimiques.

Normalement, un ventilateur d'injection de pré-excavation se compose de 15 à 40 trous (de 70 à 80 pieds de long) forés devant la face et injectés avant l'excavation. Le nombre de trous dépend de la taille du tunnel et de la quantité d'eau prévue. L'excavation est ensuite effectuée en laissant une zone de sécurité de 15 à 20 pieds au-delà du dernier tour lors du prochain sondage et de l'injection de pré-excavation. L'utilisation du système automatisé d'ajout de tiges (RAS), mentionné ci-dessus, facilite et accélère le forage des trous de sonde et de coulis avec une capacité de 300 à 400 pi/h. L'exigence d'injection préalable à l'excavation est plus réalisable et plus fiable lors de l'utilisation de la méthode Drill and Blast par rapport à l'utilisation d'un tunnelier

La sécurité dans les tunnels de forage et de dynamitage a toujours été une préoccupation majeure nécessitant des dispositions spéciales de mesures de sécurité. En plus des problèmes de sécurité traditionnels dans les tunnels, la construction par forage et dynamitage, les risques au front, y compris le forage, le chargement, l'écaillage, le déblayage, etc., ajoutent des risques de sécurité supplémentaires qui doivent être traités et planifiés. Avec l'avancement des technologies dans les techniques de forage et de dynamitage et l'application d'une approche d'atténuation des risques aux aspects de sécurité, la sécurité dans les tunnels s'est considérablement améliorée ces dernières années. Par exemple, avec l'utilisation d'un forage jumbo automatisé avec le modèle de forage téléchargé sur l'ordinateur de bord, il n'est pas nécessaire que quiconque se trouve devant la cabine de forage jumbo, réduisant ainsi l'exposition potentielle des travailleurs à des dangers potentiels et augmentant ainsi leur sécurité.

La meilleure fonctionnalité liée à la sécurité est probablement le système automatisé d'ajout de tiges (RAS). Avec ce système, principalement utilisé pour le forage de longs trous dans le cadre de l'injection de coulis de pré-excavation et du forage de trous de sonde ; le forage d'extension peut être effectué de manière entièrement automatisée depuis la cabine de l'opérateur et élimine ainsi le risque de blessures (en particulier les blessures aux mains) ; sinon, l'ajout de tiges était effectué manuellement, les travailleurs étant exposés à des blessures lors de l'ajout de tiges à la main. Il convient de noter que la Norwegian Tunnelling Society (NNF) a publié en 2018 sa publication n° 27 intitulée "Safety in Norwegian Drill and Blast Tunnelling". La publication traite de manière systématique des mesures liées à la gestion de la santé, de la sécurité et de l'environnement lors du creusement de tunnels à l'aide des méthodes de forage et de dynamitage et fournit les meilleures pratiques pour les employeurs, les contremaîtres et les travailleurs de la construction de tunnels. La publication reflète l'état de l'art en matière de sécurité de la construction de forage et de dynamitage, et elle est téléchargeable gratuitement sur le site Web de la Norwegian Tunnelling Society : http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/

Le forage et le dynamitage utilisés dans le bon concept, même pour les longs tunnels, avec la possibilité de diviser la longueur en plusieurs rubriques, peuvent toujours être une alternative viable. Des progrès significatifs ont été réalisés récemment dans l'équipement et les matériaux, ce qui a permis d'améliorer la sécurité et l'efficacité. Bien que l'excavation mécanisée au tunnelier soit souvent plus favorable pour les longs tunnels à section constante, cependant, en cas de panne du tunnelier entraînant un arrêt prolongé, l'ensemble du tunnel s'arrête alors qu'en opération de forage et de dynamitage à plusieurs têtes, le la construction peut encore avancer même si une rubrique rencontre des problèmes techniques.

A propos de l'auteur:

Lars Jennemyr est un ingénieur expert en construction de tunnels au bureau d'AECOM à New York. Il a une longue expérience dans des projets souterrains et de tunnels du monde entier, notamment en Asie du Sud-Est, en Amérique du Sud, en Afrique, au Canada et aux États-Unis, dans des projets de transport en commun, d'eau et d'hydroélectricité. Il possède une vaste expérience dans les tunnels conventionnels et mécanisés. Son expertise particulière comprend la construction de tunnels rocheux, la constructibilité et la planification de la construction. Parmi ses projets figurent : le métro Second Avenue, station 86th St. à New York ; le prolongement de la ligne de métro n° 7 à New York ; le connecteur régional et l'extension de la ligne violette à Los Angeles ; Citytunnel à Malmo, Suède ; le projet hydroélectrique de Kukule Ganga, Sri Lanka ; Projet hydroélectrique d'Uri en Inde ; et le programme stratégique d'assainissement de Hong Kong.